基于模型化DSP快速设计的音频信号采集系统
z" x*x+ޮȭʇϢljwSzWi'*'(h
4N
ki--Nj["vrezZ^iڞ֠zgb+ZȠi +jwfrez!ajek'+^yujhbq'%jw]j֚r+b{2צLķAv}jazfkyj["vrez'^+yا'w)
z{ebq,Z^鬡h
^* zȠr'i+jg^(' zk
ڙׯzZ)a
#ޙul^j zX j{( mmzڒ)u"vHڱZب('jV謊ب̬隱Zǭ+jbr)zq ץ(o'(x +(~"V(X
jrN&jޭbwhyhiاכ"v^bz +jg(u"^zkǬڭjXy֧v^u"z jbȠZr+b{2צqz)鞞ם}-J{,(1-]~]j֚r+b{2צ1eiҊky&ץx zȠii("R ڔq,<4I&H4
#V(X41eibF"http://www.wufanghuizhong.com/p/fangan/" target="_blank" class="keylink">方案进行快速验证，分析方案的可行性，也可以快速对数字信号处理算法进行评估，从而在短时间里完成系统设计、算法构思到代码的实现。这样，工程师就可以将主要精力放在算法的研究，而不是琐碎的程序代码设计上。这就加快了系统软硬件的开发速度，降低了工程师的入门门槛；解决了DSP嵌入式工程师既要有深厚的理论知识积累，又要有熟练的嵌入式编程经验的难题。因此，这样一种基于模型化的设计可以在实际工程设计中被广泛使用。
1 建立音频数据采集系统模型
为了验证这样一种方法，建立了一个音频数据采集系统的模型，以这种快速简单的模型化设计方法来实现这个系统的功能。在开始设计之前需要设置一些环境变量，将CCS软件和Matlab软件有机结合起来，配置的主要工作就是在系统中指定相应软件的工作路径，并设置好仿真器配置文件。
完成了相关的配置之后，打开Matlab的Simulink工具。新建一个名为SAMPLE_SYSTEM的模型文件，选择器件库中的“Embedded Coder”→“Embedded Targets” →“Processors” →“Texas Instruments C2000”，然后选择C28x3x模块，从这个库中添加异步通信接口（SCI）发送模块和模拟/数字信号转换模块（ADC）到模型设计文件中。由于此次设计的系统是一个多点数据采集系统，各个数据采集模块会分开工作，最后共用一个SCI串口将数据上传到上位机，选中“Simulink”→“Signal Routing”，将其中的复用器MUX拖入模型中，通过这个复用器，多个ADC的模块就可以共用一个通信接口于上位机完成通信。
由于F28335的片内ADC采用的数据格式是12位的无符号整型，而SCI接口通常采用的是8位的字符型数据，这两者的数据并不匹配，因此需要对ADC采集到的数据进行一定的处理之后才能交给串口发送出去，而Simulink中并没有现成的模块，但是提供了自定义模块的功能，可以选中“Simulink” →“User⁃Define Functions”将用户自定义模块添加到系统模型中。通过对这个自定义模块的编辑，实现数据类型的转换，使数据可以被SCI接口正常的接收和发送。
添加所需要的模块之后，将各个模块接口按功能需求连接起来，ADC的三个通道分别连接到了各自的数据类型转换模块的输入口，这些模块的输出口和SCI模块通过复用器MUX进行连接，实际的连接情况如图1所示。
2 系统模型配置
为了实现各个模块的正常工作，需要对各个模块的参数进行配置。这一步的实质其实就是通过图形化的界面完成对DSP相应的控制寄存器的配置；因此，工程师不必再查阅技术文档即可完成相关的寄存器配置。
首先对ADC模块进行设置，将使用的ADC模块设置为ADC_B，并且开启ADC_B的3个转换通道。在这里还可以配置ADC的采样频率和触发方式。在本设计中将ADC采样频率设置为0.000 1 s，将触发方式设置为软件触发。SCI接口的配置和ADC的配置基本类似，这里不再赘述。ADC的配置界面如图2所示。
值得一提的是，在配置ADC时可以选择是否启用DMA（Direct Memory Access）传输ADC采集到的数据。DMA的使用可以使CPU不再管理ADC的运行，也就不需要花费大量的时间等待模/数转换的完成，CPU只在需要使用数据时，才到指定的地址中获得相关数据，这使得处理器有更多的时间去执行其他任务，这种方法在DSP程序设计中被广泛使用。但是，DMA控制器的配置非常繁琐，很多工程师对此只能望而却步，放弃这一对系统性能改善有明显提升的方法。而在基于模型化的设计中，工程师只需选择使用DMA就可以完成DMA的配置，这对提升系统性能和缩短程序的开发周期而言，有着重要的作用。
用户自定义模块的功能是实现数据类型的转换，将ADC采集到的16位无符号整形数据转换成8位的字符型数据，通过编写这个模块的C语言控制程序就可以实现数据类型转换的功能。用鼠标双击这个自定义模块就可以进入这个模块的设置窗口（如图3所示），在这里，工程师可以完成模块功能的设计。该模块将转换完成的数据封装到一个包含了相关信息的数据帧中，从模块的输出口送出。
在实际中，工程师也完全可以根据自己的实际情况，将一些更有效的算法设计成模块，在移植这种模块化的程序时，不做任何修改就可以使用。
最后就是对目标平台进行设置，这里将目标平台设置为TMS320F28335，时钟频率设置为150 MHz，这样就完成了对整个系统的设计。整个过程中，没有对TMS320F28335的任何一个寄存器进行设置，也没有查阅任何参考文档。这样的设计方式无疑是非常实用的。
3 系统实际测试
配置好模型设计文件之后，点击模型设计窗口右上角的建立模型按钮，此时，Matlab就开始编译文件，并将编译过程的相关信息在Matlab的控制台上显示出来，编译结束之后生成一个.OUT可执行文件，将这个可执行文件通过计算机系统的控制台自动下载到DSP芯片中。程序文件下载过程中计算机系统的控制台提示信息如图4所示。
程序下载完成之后，首先将音频信号接到一个音频信号预处理的硬件上，该硬件电路将输入的音频信号限制在0～3.3 V之间，并对输入信号做了抗混淆滤波处理，处理之后的信号就输入到DSP的信号采集接口。然后，将硬件电路的串口和计算机串口连接起来，并打开计算机上的串口监视软件，按照相应的通信协议完成串口的设置。确认设置之后，串口就显示出了接收到的数据，串口监控软件接收到的数据如图5所示。通过数据显示，监控软件不断地接收到采集系统发送来的数据，数据被成功采集到计算机中。
为了更为直观地查看采集到的数据波形，将串口数据监视软件关闭，打开一个串口数据的波形显示软件，就可以显示出采集到音频信号的时域波形。该软件显示采集到的音频信号时域波形如图6所示。由于在测试时只对ADC的A路输入了信号，而其余两路都没有信号输入，所以该软件只显示出了A路信号的时域波形，这与串口数据监视软件接收到的数据是匹配的。这就说明了这种基于模型化的DSP程序快速设计方法是易用可行的。
4 结 论
设计一个基于DSP的音频信号数据采集系统，通常需要编写大量的控制寄存器，而工程师无法记忆这么多寄存器的配置方式，只能查阅数据手册，一旦配置错误，很难再找出问题，这就导致了开发方式效率低下，开发周期长。而使用基于模型化的设计方法，工程师只需要在图形化的对话框中就可以完成相应的配置。这样就可以提高程序的开发速度，降低程序设计的难度。工程师甚至不用编写一行代码就可以实现DSP程序的设计。这种模型化的DSP系统快速设计方法非常适合在实际工作中使用，有着极大的实际意义和推广价值。
参考文献
[1] 陈志英，刘虹，陈飘萍.基于模型的数字滤波器设计及DSP实现[J].厦门理工学院学报，2015，23（1）：39⁃44.
[2] 邓盼，侯志敏.基于DSP模型的快速代码的生成[J].现代电子技术，2015，38（6）：142⁃144.
[3] 王伟，李育挺，马松辉.基于模型的验证与测试技术[J].计算机测量与控制，2013，21（4）：987⁃989.
[4] 侯莹，洪征，潘璠，等.基于模型的Fuzzing测试脚本自动化生成[J].计算机科学，2013，40（3）：206⁃209.
[5] 刘洋，周宇博.基于模型的设计[M].北京：国防工业出版社，2011.
[6] 冷斌，李学勇，刘建华.一种基于Matlab的DSP调试及直接代码生成方法[J].现代电子技术，2008，31（20）：68⁃70.
[7] 梁志强.基于模型的DSP程序设计[J].微计算机应用，2008，29（3）：93⁃97.
[8] Texas Instruments. TMS320x2833x，2823x serial communications interface （SCI） [EB/OL]. [2009⁃09⁃15]. http：///lit/ug/sprufz5a/sprufz5a.pdf.
[9] Texas Instruments. TMS320x2833x， 2823x system control and interrupts [EB/OL]. [2010⁃03⁃21]. http：///lit/ug/sprufb0d/sprufb0d.pdf.
[10] Texas Instruments. TMS320x2833x， 2823x direct memory access （DMA） module [EB/OL]. [2011⁃04⁃11]. http：///lit/ug/sprufb8d/sprufb8d.pdf.
推荐访问： 模型 信号 采集系统 音频 快速
